HSDPA技术及其应用

 摘要

    HSDPA是3GPP在R5协议中引入的一种能够提高下行容量和数据业务速率的增强技术。本文介绍了HSDPA技术的基本原理、性能和应用情况，对HSDPA所采用的关键技术进行了详细分析。最后，对HSDPA的引入策略提出了一些建议。

    HSDPA（高速下行分组接入，HighSpeedDownlinkPackages Access）技术，是3GPP在R5协议中引入的，它可以在不改变WCDMA系统网络结构的基础上，大大提高用户下行数据业务速率（理论峰值可达14.4Mbit/s），极大地改善了WCDMA不支持数据密集型应用的缺陷，是WCDMA网络建设中提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

    1、WCDMA标准演进

    WCDMA标准在发展过程中形成了R99、R4、R5、R6、R7等版本，其中R99、R4、R5版本分别于2000年3月、2001年3月和2002年6月推出，R6版本预计2006年内推出，R7版本仍在讨论中。R99版本比较成熟，核心网仍然沿用了GSMMAP标准，充分考虑了对现有GSM网络的向下兼容和投资保护，目前的商业部署几乎全部采用了R99版本。相比R99版本，R4版本的无线接入部分只改动了一些接口协议的特征，相应功能得到增强，网络结构没有变化。R4版本核心网部分改动比较大：由TDM的中心节点交换型结构演进为典型的ATM分组语音分布式体系结构；网络采用开放式结构，业务逻辑和底层承载相分离；UTRAN与核心网语音承载方式均由分组方式实现；语音采用统计复用方式传递，实现网络带宽动态分配，避免TDM扩容时需反复调配2Mbit/s电路的繁琐程序。R5版本是全IP的第一个版本，引入IP传输作为ATM外的第二种可选传输机制；并在无线部分引入了HSDPA的概念，使下行链路可以支持高达10Mbit/s（理论峰值14.4Mbit/s）的传输速率；另外，其核心网增加了IMS（IP多媒体子系统）。R6版本正在讨论中，无线接入部分主要引入了HSUPA。R7版本将主要引入正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）技术。

    对高速移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。WCDMAR99版本可以提供384kbit/s的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基本够用。然而，对于许多对流量和时延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。同时，cdma20001xEV-DO、WLAN和WiMAX等技术的快速发展，也对WCDMA R99构成威胁，使得WCDMA R99/R4版本面临着一旦商用，就会在技术上落伍的尴尬境地。为了更好地发展数据业务，3GPP从提高传输速率和缩短传输时延这两方面对空中接口作了改进，引入了HSDPA技术。HSDPA不但支持高速不对称数据服务，而且在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入成本最小化。它为UMTS更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途径，类似于在GSM网络中引入EDGE。

    2、HSDPA的基本原理

    在R99的空中接口体系中，数据重传方式是由RNC来负责完成的，数据重传需要绕经Iub接口，数据重传的周期较长；NodeB仅仅起到一个根据RNC的指令完成物理层编码、传输的功能，NodeB本身基本不具有对物理资源的控制和调度能力。而在HSDPA中，为了在空中接口上实现更大的吞吐能力，对NodeB的功能进行了增强，在Node B的层面引入了物理层重传和快速资源调度的概念。通过在更靠近空中接口的Node B上引入这些原本只有RNC才具有的功能，加快了重传以及对空中资源调度的效率。同时，结合AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码）、HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）等新技术，采用了更短的TTI（Transmit Time Interval）长度（2ms）、固定扩频因子的多码道传输，从而在下行方向上实现了远高于R99的高速的分组数据传输能力。

    为了实现HSDPA的功能特性，在物理层规范中引入了三种新的物理信道。

    （1）高速下行链路共享信道（HS-DSCH）：在下行链路上，传输用户的业务数据。采用固定的扩频因子SF=16，由于需要给公共信道、HS-SCCH及相关的DCH预留可用的信道码，所以最大可用信道数为15。传输时间间隔定义为2ms（3个时隙），远小于R99中规定的10ms、20ms等长度，从而大大缩短了数据重传时终端和NodeB之间的往返时延。

    （2）高速下行共享控制信道（HS-SCCH）：在下行链路上，传送HSDPA的专用信令，如传输格式和系统资源指示等；采用固定的扩频因子SF=128，每个终端最多可以同时监测4个HS-SCCH。

    （3）高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）：在上行链路上，发送反馈信道信息（如信道质量指示CQI）和传输块发送确认信息（承载HARQ进程需要的ACK／NACK信息）。用户终端通过测量CPICH得到CQI信息，CQI的上报周期和映射可由网络定义。

    NodeB通过用户从上行专用控制信道HS-DPCCH中反馈的信息得到用户的下行信道情况，然后NodeB根据所收集的所有用户的信道情况，通过一定的调度策略，为当前用户分配HSDPA的下行数据传输的物理资源（HS-DSCH、HS-SCCH），同时选择相应的最合适的AMC方案，以此来实现系统吞吐量最大化、用户吞吐量最大化、用户QoS保证等资源调度目标。

    3、HSDPA的关键技术

    HSDPA技术的思路和目标是提高网络的传输效率和频谱效率，以满足3G中对高速数据传输的业务需求。目前，常用的提高频谱效率的手段主要是根据信道条件的变化对网络参数和调制算法进行自适应的调整。

    HSDPA的关键技术主要包括以下方面。

    3.1自适应调制编码（AMC）

    AMC技术的基本原理是根据信道的情况来确定合适的调制编码方式，以最大限度的发送数据信息，实现高的传输速率。同时，根据用户信道质量的反馈，动态地调整调制编码方案，从而获得较高的传输速率和频谱利用率。除了WCDMAR99中的QPSK调制以外，HSDPA还引入了16QAM调制。与QPSK相比，16QAM的峰值速率是QPSK的两倍。

    基于AMC技术，当用户处于有利的通信环境时（如终端靠近基站或者终端和基站之间存在良好的视距链路时），可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，如：采用16QAM和3/4编码速率，从而得到较高的数据速率；当用户处于不利的信道环境时（如终端位于小区边缘或者无线信道衰落较深时），可以选择低阶调制方式和低速率的信道编码方案，如：采用QPSK和1/4编码速率，降低数据速率，以保证通信质量。

    3.2快速混合自动重传（FastHARQ）

    重传技术是为了在复杂多变的无线环境中提高数据的正确接收率而提出的。HARQ是指接收方先对接收到的数据包进行自我检错纠错，如果错误可以进行自我纠正，就正确接收；否则保存本次接收的数据包，并请求发送方重传。接收方将重传的数据包和先前接收到的数据包在解码前进行合并，充分利用它们携带的相关信息，以提高正确译码的概率。

    HARQ是将ARQ和FEC相结合的一种差错控制方案。ARQ具有高可靠性、低复杂度的特点，但它的效率低、时延大；FEC则有效性较高，但可靠性比ARQ低，而且复杂度也较高；将二者结合起来，优势互补，就产生了混合型ARQ，即HARQ技术。HARQ的类型主要包括以下两种：软合并（SoftCombining）和增量冗余（IncrementalRedundancy）。

    HARQ遵循“SAW（StopAndWait）”策略，发送完一个数据包后，只有收到“确认（ACK）”信息后才能继续发送数据；如果返回NACK信息，则要根据HARQ类型选择重发数据。这种机制简单可靠，但是信道利用率较低。通常，HSDPA采用Nchannel-SAW协议：N个用户可以并行发送数据，当一个用户等待ACK信息时，其他用户可以利用信道间隙发送数据，从而提高了信道利用率。

    3.3基站包调度（NodeBScheduling）

    调度是对系统有限共享资源进行合理分配，使资源利用率达到满足合理前提的最大化。调度算法控制着共享资源的分配，在很大程度上决定着整个系统的行为。系统根据所有用户的情况，采用一定的调度策略决定哪个用户可以使用信道，以及以何种速度使用信道。基站包调度为信道条件好的用户分配高的数据速率，从系统的角度来讲，提供了多用户分集增益，增加了系统吞吐量。

    不同的调度算法对系统性能影响很大，常用的调度算法主要包括：资源公平（FairResource，FR）算法、最大C/I算法（M-C/I）、正比公平（ProportionalFairResource，P-FR）算法等。

    图1为某厂商提供的仿真结果，从图上可以看到，采用不同的调度算法，小区中用户的平均吞吐量的差别较大。在考虑系统吞吐量最大化的同时，也需要兼顾公平性原则。

    图1 采用不同调度算法下的小区吞吐量比较

    3.42ms短帧

    HSDPA中引入了2msTTI，相比10msTTI，大大减少了空中接口的传输时延，并且UE和NodeB相应的处理时延也大大降低，可以更好地配合HARQ和基站快速调度的实施，提高系统的吞吐量。另外，采用2msTTI带来的快速反应可以显著提高响应速度，从而大大提高用户终端的服务质量，使系统提供类似于实时视频、流媒体等多媒体服务成为可能。

    4、HSDPA的性能

    图2给出了宏蜂窝和微蜂窝两种环境下HSDPA和R99的性能比较。从图中可以看出，在宏蜂窝（Macrocell）环境下，相比R99，HSDPA可以把小区吞吐量提高100%；在微蜂窝（MicroCell）下，由于信道条件相对较好，HSDPA可以采用高速率的数据调制和编码方案，极大地提高用户的下行数据速率，从而使HSDPA带来的小区吞吐量增益超过200%。另外，从图2中，我们可以看到在不同的调度算法下，小区吞吐量的差别：资源公平算法（FairResource）下各个用户得到相等的资源分配，小区吞吐量依赖于用户所处的实际环境，系统资源利用率不高，总的系统吞吐量相对较小；而正比公平（Proportional Fair Resource）算法基于用户优先权进行资源分配，选择相对信道条件较好的用户进行优先调度和资源分配，系统总的吞吐量有较大提升。

    图2 HSDPA和R99的性能比较

    另外，对同一类HSDPA终端，在不同的移动速度、不同的多径信道中，数据吞吐量也有所不同。如图3显示了终端类别6UE在VehA120、VehA50、Veh A3、Ped A50、Ped A3和LOS 6种不同的无线环境中，HSDPA用户数据吞吐量的比较。在无线环境较好的情况下，如视距（LOS）情况下，由于多径干扰较少，终端可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，如：采用16QAM和3/4编码速率，从而得到较高的数据速率。在同一种移动环境下，用户在小区中移动过程中，当用户距离基站较近时，对应的载干比C/I较高，对应的信道条件也越好，同样，终端也会采用高阶调制和高速率的信道编码方式，从而得到较高的数据速率。

    图3 不同无线环境下HSDPA用户终端的数据吞吐量比较

    5、HSDPA的应用

    目前，HSDPA标准已经稳定，技术也日益成熟，产品性能通过测试得到验证，终端产品在市场上也已陆续推出。随着HSDPA技术不断发展和设备不断成熟，其良好的应用前景和平滑的演进能力正在引起业界越来越多的关注，HSDPA几乎得到了所有WCDMA设备厂商的支持，在世界范围内，各主要运营商也已开始计划部署或已经部署HSDPA。

    5.1问题分析

    引入HSDPA组网时，需要考虑两个问题：

    第一，采用连续覆盖还是热点覆盖?

    连续覆盖可以提高用户的满意度，但成本较高，另外考虑初期用户可能是采用笔记本电脑用HSDPA高速接入的方式会比较多，对移动性要求不高，所以网络部署初期可以是热点覆盖。随着高速数据用户的增加以及引入HSDPA的智能终端的普及，可以发展连续覆盖。

    第二，单独使用载波还是与R99共享载波?

    单独使用载波：优点是HSDPA和R99可同时获得最高的容量；缺点是相比共享载波方式，网络部署成本较高。共享载波：优点是可以以低成本进行网络部署，无需增加新的频率和系统硬件，相比R99有更好的性能表现，更高的系统吞吐量；缺点是相比单独载波方式，频率利用率较低。

    当HSDPA和R99共享同一个载频时，为实现HSDPA的最大传输速率，需消耗近乎所有的信道码资源。为支持同一载波下HSDPA+R99方式的正常运营，必须为R99的业务预留一些信道码资源，这意味着HSDPA可获得的码资源减少，导致HSDPA的吞吐量和容量在码资源上受限。还需注意的是HSDPA对下行功率使用的突发特性会对R99业务造成影响，在功率资源的分配上也应给R99业务保留适当的余量以减轻这种影响，但这又会影响HSDPA吞吐量。总之，需要在二者间进行功率资源和码资源的权衡。

    5.2引入策略

    在建网初期，在频率资源紧张且HSDPA用户及业务量不高时，可以考虑HSDPA与R99共享载波组网，这样既可以满足高端用户对高速业务的需求，又可以节约宝贵的频率资源。初期采用HSDPA与R99共享载波，可以有效地保护了运营商的投资成本，使运营商投入成本最小化，还大大增加了运营商的业务范围，为提高ARPU值创造了可能。在基站近点处，用户使用HSDPA提高用户数据流量；当用户移动到该基站覆盖的远点处，HSDPA用户转换为DCHPS业务；当用户移到另一个基站的HSDPA覆盖区时，可以将DCHPS业务切换到HS-DSCH信道，重新转化为HSDPA业务，实现HS-DSCH与DCH的双向切换。

    当HSDPA用户及业务量增高后，下行负载升高，下行干扰也相应升高。当升高的水平达到R99的设计负载门限时，就应考虑部署新载频，如果HSDPA用户及业务量较高，就应考虑把原先共享同一个载频的部署方式改为单独载频方式，即HSDPA、R99分别使用其专用载频，这样即避免了载频共享时对R99业务的影响，又能满足HSDPA的高业务量要求。

    在HSDPA引入初期，密集市区、商务区和部分数据热点区域是需要重点考虑的地区，这些区域的数据业务量比较大，可以充分发挥HSDPA承载数据业务的高效优势。对于普通市区、郊区和农村，HSDPA的需求基本上可以认为没有或者很少，暂时可以不引入HSDPA，而是采用R99/R4无线网络覆盖，或者根据需要，只在局部热点区域引入HSDPA。总之，HSDPA的引入可以根据数据业务的发展需求，分阶段逐步扩展实施。

    5.3HSDPA的商用状况

    目前，在世界范围内，多家大型移动通信运营商已将HSDPA纳入日程，纷纷表示将大力支持设备和终端厂商对HSDPA的研发，并积极组织外场测试，组建实验网验证HSDPA的性能。部分运营商首先在几个重要城市进行试商用，成功后再大范围推广。

    在美国，第一大无线运营商VerizonWireless的cdma20001xEV-DO网络已经覆盖了32个区域市场，人口覆盖率超过30%，计划到2006年初使其cdma20001x EV-DO网络的人口覆盖率超过40%。为了应对竞争，美国第二大移动运营商Cingular正在计划成为美国的首家HSDPA服务运营商，推出时间定在2006年。

    在日本，NTTDoCoMo是日本最大的移动通信运营商，拥有PHS、PDC（2G）、FOMA（基于WCDMA）移动通信业务。但与其竞争对手网络运营商KDDI相比，NTTDoCoMo在3G用户数及其增长速度两方面都不具备明显优势。于是NTTDoCoMo宣布上马HSDPA，以对抗KDDI的以cdma2000 1x EV-DO为基础的无线高速数据业务。

    在中国，3G牌照迟迟没有发放，业界普遍预测牌照发放时间为2006年，届时，HSDPA的系统设备和终端将达到全部商用能力。因此，国内多家运营商都对HSDPA技术表示出极大的关注，计划在WCDMA网络建设初期就引入HSDPA。

    6、小结

    通过以上对HSDPA技术的综合分析，我们可以看到：HSDPA通过采用一系列新的技术大大提高了无线网络的效率和数据传输的速率，显著降低了数据传输时延和每比特传输成本，提供了更高的网络可用性。HSDPA基于R99／R4的网络架构，实现网络的平滑过渡，通过软件升级实现HSDPA，从而提高了RAN的硬件利用率，极大降低了运营商的网络建设成本。对用户而言，HSDPA带来了下行高速的数据传送、更短的服务反应时间和更加可靠的服务，大大提高了客户体验。

    HSDPA可以提供更大的移动带宽、更好的数据服务，但其要想真正投入大规模商用，并获得成功，还需要实际应用来检验。从全世界来看，已经商用的3G系统，面临的首要问题不是网络的带宽不够，而是网络中数据业务的流量不足。如何扩大数据业务的市场规模，找到可以盈利的3G运营模式，才是问题的关键。只有当巨大的数据业务市场开发出来，HSDPA技术本身的承载能力才能得到充分的发挥。